Stephen Hawking, le physicien qui a rembobiné l'univers et écrémé les particules boostées des régions limites chaudes des trous noirs, a 76 ans aujourd'hui (8 janvier).
En plus d'être un cosmologiste de renommée mondiale, Hawking est devenu quelque chose d'une icône de la culture pop. C'est un personnage frappant: un génie recroquevillé dans un corps largement immobilisé par la sclérose latérale amyotrophique, ou SLA. Il est soutenu par un fauteuil roulant avancé et communique au monde grâce à un système rare et spécialisé qui convertit les mouvements d'un seul muscle de sa joue en discours. Dans ce mode, il est apparu sur "Star Trek: The Next Generation", "The Simpsons" et "The Big Bang Theory".
Mais l'héritage le plus durable de Hawking sera le physicien le plus important de la seconde moitié du 20e siècle - un chercheur qui a pris les travaux antérieurs de figures comme Albert Einstein et Werner Heisenberg et les a assemblés en quelque chose s'approchant d'une explication cohérente du comportement de le cosmos.
"Il y a une singularité dans notre passé"
Aucune bonne histoire de génie ne commence par rien de moins qu'un coup, il est donc approprié que la première grande réalisation de Hawking soit également sa thèse de doctorat à l'Université de Cambridge.
La thèse de Hawking, approuvée en 1966, a fait un argument dramatique: que l'univers entier a commencé comme un seul point, infiniment petit et dense et recroquevillé sur lui-même - un point au début de tout. Ou, comme il l'écrira plus tard, succinctement: "Il y a une singularité dans notre passé."
C'était la première description du Big Bang tel qu'il est communément compris aujourd'hui: un point infiniment petit aux confins du temps qui a fait irruption dans notre cosmos moderne en constante expansion.
Comme Hawking l'a décrit dans sa conférence de 2005 "L'Origine de l'Univers", sa thèse est arrivée à un moment où les scientifiques avaient vu que les vastes étendues vides de l'espace, les gouffres entre les galaxies, se développaient. Mais ils ne savaient pas pourquoi. Certains physiciens ont proposé des versions plus faibles du concept Big Bang, sans la singularité. Mais une autre théorie, appelée l'Univers Steady State, était dominante.
"Au fur et à mesure que les galaxies se séparaient", a déclaré Hawking à propos de l'Univers Steady State, "l'idée était que de nouvelles galaxies se formeraient à partir de la matière qui était censée être continuellement créée dans l'espace. L'univers aurait existé pour toujours et aurait la même apparence à chaque fois."
En d'autres termes, de nombreux scientifiques pensaient que l'univers était en expansion, mais d'une manière qui ne lui donnait ni commencement ni fin.
Comme l'écrivait le biographe Kitty Ferguson dans son livre "Stephen Hawking: un esprit sans entraves" (St. Martin's Griffin, 2012), Hawking a lutté contre la dépression dans les mois qui ont suivi son diagnostic de SLA en 1963 à 21 ans, et si cette maladie mentale persistait, il pourrait jamais arrivé à sa thèse. Mais sa dépression s'est apaisée car il est devenu clair qu'il dépassait les attentes et lorsqu'il a obtenu une exception aux règles de Cambridge régissant les étudiants diplômés, lui permettant d'épouser sa première femme, Jane Wilde, selon Ferguson.
Au cours de cette période avant d'arriver au sujet de sa thèse de doctorat, Hawking a déclaré se sentir frustré par la façon dont les chercheurs se sont occupés de travaux qu'il jugeait finalement insignifiants.
"Les gens étaient tellement heureux de trouver une solution aux équations de champ; ils n'ont pas demandé quelle signification physique, le cas échéant, elle avait", at-il déclaré plus tard dans sa conférence d'anniversaire de 2002.
Cette frustration l'a conduit à son premier pinceau de notoriété. Comme Ferguson l'a raconté, Hawking a voyagé en juin 1964 pour entendre une conférence de Fred Hoyle, célèbre astronome et défenseur de la théorie de l'Univers de l'état stable. Pendant la conférence, Hawking est devenu tellement frustré qu'il s'est hissé sur ses pieds, s'appuyant sur sa canne, pour contester l'un des résultats de Hoyle.
"Un Hoyle étonné a demandé à Hawking comment il pouvait juger si le résultat était bon ou mauvais", a écrit Ferguson. "Hawking a répondu qu'il avait" réglé "."
Le public a été impressionné et Hoyle a été «furieux» par cet étudiant diplômé inconnu qui avait semblé déchirer les recherches du professeur dans sa tête lors de la conférence, a écrit Ferguson. (En fait, Hawking s'était lié d'amitié avec l'un des étudiants de Hoyle et avait commencé à attaquer l'idée bien avant la conférence.)
Peu de temps après, a écrit Ferguson, Hawking a découvert une théorie cosmologique développée par le mathématicien Roger Penrose: que les singularités, les points de densité infinie et la courbure spatio-temporelle théorisés en relativité générale, pourraient en fait apparaître lorsque des étoiles suffisamment grandes s'effondrent sur elles-mêmes.
"Hawking a décollé de là", a écrit Ferguson, "inversé la direction du temps, et réfléchi à ce qui se passerait si un point de densité inifinite et de courbure infinie de l'espace-temps - une singularité - explosait vers l'extérieur et s'étendait. Supposons que l'univers commence comme Supposons que l'espace-temps, recroquevillé serré en un point minuscule et sans dimension, explose dans ce que nous appelons le Big Bang et se développe jusqu'à ce qu'il ressemble à ce qu'il est aujourd'hui. Doit c'est arrivé comme ça? "
Hawking se mit au travail, étayant son train de spéculations avec de solides calculs à l'appui. Sa thèse de doctorat, basée sur ces calculs, a été approuvée en 1966. Ces calculs, ainsi que les recherches de suivi menées en partenariat avec Penrose au cours de la décennie qui a suivi, ont jeté les bases de la compréhension moderne du Big Bang par les scientifiques.
À peu près à la même époque, certaines prédictions clés de la théorie de l'univers stable ont commencé à échouer aux tests expérimentaux, cimentant le statut de Hawking en tant que découvreur de la véritable histoire de l'univers primitif.
Des explosions de trous noirs?
Si la seule réalisation de Hawking dans sa carrière était de découvrir la forme historique de l'univers, il serait toujours un géant - le genre de personne mentionné aux côtés de Rosalind Franklin, qui a découvert la forme de l'ADN à double hélice, ou Nicolaus Copernicus, qui a d'abord proposé le modèle héliocentrique du système solaire. Mais ce n'était que la première des deux réalisations déterminantes de Hawking.
Le second, le rayonnement de Hawking, nécessite un peu de compréhension de deux choses: les trous noirs et la mécanique quantique de l'espace vide.
Tout d'abord, à propos des trous noirs: un trou noir est une étoile qui s'est effondrée sur elle-même et est devenue si intense par gravité que même la lumière ne peut s'échapper d'une région autour de son centre. Au-delà de ce point, appelé horizon des événements, l'espace-temps est si incurvé que tout ce qui se cache derrière le linceul est perdu à jamais. Un trou noir, selon cette compréhension du début des années 1970, n'émet jamais de lumière, ne rétrécit jamais, ne perd jamais de masse; il ne fait que gagner en masse et attire plus d'espace dans son territoire enveloppé.
Deuxièmement, sur la mécanique quantique: Au moment de la carrière de Hawking, les scientifiques savaient depuis longtemps que le prix d'incertitude de Heisenberg impliquait que l'espace vide n'était pas vraiment vide. Au lieu de cela, il roule avec des particules «virtuelles» - des paires matière-antimatière qui apparaissent ensemble, se séparent puis s'écroulent et s'annihilent en un laps de temps trop court pour être mesuré. (Les scientifiques se demandent à ce jour si ces particules virtuelles existent vraiment ou ne se présentent que dans des équations quantiques en raison de leur nature bizarre et probabiliste.)
À la fin de l'été 1973, Stephen et Jane Hawking ont assisté à une série de conférences à Varsovie, en Pologne, pour célébrer le 500e anniversaire de Copernic, a écrit Ferguson. Là, Hawking a rencontré deux physiciens soviétiques, Yakov Borisovich Zel'dovich et son élève Alexei Alexandrovich Starobinsky, qui avaient montré que l'énergie de la rotation des trous noirs créerait des particules juste en dehors de leurs horizons d'événements. Ces particules seraient emportées dans l'espace, ont déclaré Zel'dovich et Starobinsky dans leur conférence, sapant une partie de la rotation du trou noir au fur et à mesure. Finalement, selon Zel'dovich et Starobinsky, les trous noirs cesseraient de tourner.
L'idée est restée dans la tête de Hawking, a écrit Ferguson, et il est retourné à Cambridge pour répéter et affiner les calculs de Zel'dovich et Starobinksy. Mais quand il a fait ses premiers pas à leurs résultats, quelque chose de nouveau s'est déroulé.
"J'ai trouvé, à ma grande surprise et ennuyé, que même les trous noirs non rotatifs devraient apparemment créer et émettre des particules à un rythme régulier", a-t-il écrit plus tard dans son livre de 1988 "Une brève histoire du temps".
Voici pourquoi, comme il l'a expliqué dans ce livre:
Si des trous noirs existent dans l'espace et ont des horizons d'événement définis, et si l'espace roule constamment avec des "paires virtuelles de particules auto-annihilantes, alors parfois ces particules doivent apparaître juste aux bords des horizons d'événements des trous noirs. En fait, certains de ces paires de particules doivent apparaître parfaitement positionnées avec une particule d'antimatière de masse négative séparée d'un côté de l'horizon des événements et l'autre particule de matière de masse positive séparée de l'autre côté.
Cette circonstance étrange "stimulerait" efficacement les particules de leur semi-existence virtuelle dans la pleine réalité, réalisa Hawking, car elles se seraient suffisamment séparées pour ne pas s'anéantir. Cela signifiait que des particules d'énergie et de masse semblaient s'écouler de la surface des horizons d'événements des trous noirs. Et ce flux d'énergie, rayonnant vers l'extérieur à partir de ce que les physiciens avaient cru être des corps éternellement sombres, a pris le nom de rayonnement Hawking, après l'avoir décrit dans un article de 1974 dans Nature intitulé "Black Hole Explosions?"
Le rayonnement de Hawking a profondément changé la façon dont les physiciens ont compris l'univers. Avant la réalisation de Hawking, les scientifiques pensaient que toute matière ou énergie perdue dans un trou noir avait disparu pour toujours de l'univers plus large, de sorte que les horizons d'événements des trous noirs agiraient comme des murs au-delà desquels certaines choses de l'univers ne reviendraient jamais.
Mais la découverte de Hawking a montré que les trous noirs se décomposeraient de plus en plus vite avec le temps. Pour chaque particule positive qui ruisselait de la surface d'un horizon d'événements vers l'univers plus large, une particule négative avec une énergie et une masse négatives retombait dans l'espace au-delà de l'horizon des événements, réduisant la masse totale et l'énergie qui y étaient enfermées. Avec le temps, ce processus ferait rétrécir les trous noirs. Et en rétrécissant, ils deviendraient plus actifs avec le rayonnement de Hawking et rétréciraient plus rapidement.
Hawking a prédit que l'univers devait contenir des "trous noirs primordiaux" qui ont émergé non pas de l'effondrement des étoiles mais des pressions extrêmes du premier univers. Ces trous noirs, a-t-il estimé, se seraient considérablement rétrécis au cours des milliards d'années écoulées et leurs petits horizons d'événements produiraient de puissants rayons de rayonnement Hawking.
"De tels trous ne méritaient guère noir: ils sont vraiment blanc chaud», écrit-il dans« Une brève histoire du temps ».
Finalement, Hawking décida qu'ils exploseraient.
Alors que Hawking commençait à partager cette idée, Ferguson écrivait dans "An Ungered Mind", ses pairs la considéraient comme brillante ou hérétique. Lorsque Penrose a entendu des chuchotements, il a appelé Hawking au moment où le physicien était assis à son dîner d'anniversaire de 1974 et l'a félicité pendant si longtemps que son dîner est devenu froid. Mais des mois plus tard, le modérateur du symposium où Hawking a présenté sa proposition s'est levé pour la déclarer "une poubelle totale".
Aujourd'hui, c'est considéré comme un fait scientifique fondamental.
Au-delà des trous noirs
Au cours des quatre décennies et demie écoulées depuis "Black Hole Explosions?" Hawking a continué de publier des recherches qui repoussent les fondements de l'univers - y compris des idées qui attaquent ses propres contributions antérieures. (Voir, par exemple, le titre saisissant de 2014 dans Nature, "Stephen Hawking: Il n'y a pas de trous noirs".)
Hawking est devenu le plus célèbre au cours de sa dernière carrière de communicateur scientifique. Il a suivi son classique de 1988 "Une brève histoire du temps" avec 10 autres ouvrages de science populaire et un mémoire intitulé "Ma brève histoire" (Random House, 2013).
Il est impossible de parler des énormes contributions de Hawking à la compréhension humaine de l'univers sans reconnaître le contexte de sa santé en déclin depuis longtemps. Hawking a fait deux contributions majeures à la physique au cours de la même période au cours de laquelle il est passé d'un jeune qui était capable de marcher seul à un homme confiné dans un fauteuil roulant, brouillé son discours et comptait sur sa femme pour transcrire ses pensées. .
La SLA paralyse le corps, mais - du moins dans le cas de Hawking - elle n'endommage pas l'esprit. Et pour cela, a écrit Ferguson, Hawking s'est longtemps considéré comme "extrêmement chanceux".
"C'était vrai en 1964, et c'est aujourd'hui", a écrit Ferguson, "qu'en ce qui concerne Hawking, moins il est fait de ses problèmes physiques, mieux c'est. J'ai reconnu en 1989, lors des interviews pour mon premier livre sur lui, que si j'écrivais sur son travail scientifique et omettais de mentionner que faire un tel travail représentait peut-être plus une réussite pour lui que pour la plupart des gens, cela lui aurait très bien fonctionné. "
Hawking est apparu très à l'aise pour discuter du handicap dans le contexte de son activisme, qui a été significatif. En 1999, il a rejoint un groupe de 12 personnalités, dont l'activiste sud-africain Desmond Tutu, pour signer une charte appelant les gouvernements du monde à transformer leurs relations avec leurs populations handicapées et à étendre les services qui améliorent la vie des personnes handicapées.
Hawking a également été un défenseur éminent des soins de santé universels et du National Health Service (NHS) du Royaume-Uni, allant jusqu'à attaquer le secrétaire à la Santé du Parti conservateur, Jeremy Hunt, dans un discours d'août 2017 pour avoir insuffisamment financé et soutenu le programme.
"Je ne serais pas ici sans le NHS", a déclaré Hawking.
Hawking a tendance à attirer le plus l'attention sur ses idées sur l'avenir de l'humanité lorsqu'il commente l'intelligence artificielle ou les extraterrestres. Mais l'essentiel de ses déclarations sur le sujet ont été plus terre-à-terre: s'opposer aux guerres, craindre que le renvoi du président américain Donald Trump du changement climatique puisse endommager la planète, et rejoindre le boycott universitaire mondial d'Israël.
Live Science souhaite à Hawking un très joyeux anniversaire et bien d'autres.
